Forme trigonométrique, exponentielle et formule de Moivre
50 min15 exercicesSéquence 2.2 — Licence 1
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Durée : 50 min
Forme trigonométrique, exponentielle et formule de Moivre
### 1. Argument d'un nombre complexe non nul
Soit z∈C∗ d'image M dans le plan complexe. Un argument de z, noté arg(z), est une mesure en radians de l'angle orienté (u,OM). Il est défini modulo 2π : si θ0 est un argument de z, tous les arguments de z sont θ0+2kπ, k∈Z.
Si z=a+ib a pour module r=∣z∣ et pour argument θ, alors :
a=rcosθb=rsinθdonccosθ=ra,sinθ=rb
Exemple résolu. Déterminer module et argument de z=3+i.
r=∣z∣=(3)2+12=3+1=2
cosθ=23,sinθ=21⟹θ=6π(mod 2π)
### 2. Forme trigonométrique
Tout nombre complexe non nul z s'écrit :
z=r(cosθ+isinθ),r=∣z∣>0,θ=arg(z)
C'est la forme trigonométrique (ou polaire) de z. Elle est particulièrement adaptée à la multiplication.
Propriété (multiplication et division en forme polaire). Si z=r(cosθ+isinθ) et z′=r′(cosθ′+isinθ′), alors :
Tout complexe non nul s'écrit alors sous forme exponentielle :
z=reiθ,r=∣z∣,θ=arg(z)
Propriétés immédiates :
∣eiθ∣=1eiθ=e−iθ=eiθ1eiθ=eiθ′⟺θ≡θ′(mod 2π)
### 4. Formule d'Euler
Directement issue de la définition eiθ=cosθ+isinθ et de son conjugué e−iθ=cosθ−isinθ, on obtient les formules d'Euler :
cosθ=2eiθ+e−iθsinθ=2ieiθ−e−iθ
Ces formules permettent de transformer puissances et produits de fonctions trigonométriques en sommes d'exponentielles complexes, technique appelée linéarisation.
### 5. Formule de Moivre
Pour θ∈R et n∈Z, en élevant eiθ à la puissance n via (eiθ)n=einθ, on obtient la formule de Moivre :
(cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ)
Cette formule permet d'exprimer cos(nθ) et sin(nθ) en fonction de cosθ et sinθ (en développant le membre de gauche par le binôme de Newton), ou plus généralement de calculer des puissances de complexes écrits en forme trigonométrique.
Exemple résolu. Calculer (1+i)8.
On met 1+i sous forme exponentielle : ∣1+i∣=2 et arg(1+i)=4π, donc 1+i=2eiπ/4. Par suite :
(1+i)8=(2)8ei⋅8⋅π/4=24e2iπ=16×1=16
### 6. Linéarisation trigonométrique
La linéarisation consiste à exprimer cosnθ ou sinnθ (ou leurs produits) comme combinaison linéaire de cos(kθ), sin(kθ), en utilisant les formules d'Euler puis le binôme de Newton.
Exemple résolu. Linéariser cos3θ.
D'après Euler, cosθ=2eiθ+e−iθ, donc :
cos3θ=(2eiθ+e−iθ)3=81(e3iθ+3eiθ+3e−iθ+e−3iθ)
en développant par le binôme de Newton (x+y)3=x3+3x2y+3xy2+y3 avec x=eiθ, y=e−iθ. On regroupe les termes conjugués :
### 8. Forme exponentielle et opérations géométriques
La forme exponentielle traduit immédiatement les transformations géométriques classiques : - La rotation d'angle θ et de centre O envoie z sur eiθz - L'homothétie de rapport k>0 et de centre O envoie z sur kz - La similitude directe de centre O, de rapport r et d'angle θ envoie z sur reiθz
### 9. Synthèse des formules essentielles
| Notion | Formule | |---|---| | Forme trigonométrique | z=r(cosθ+isinθ) | | Forme exponentielle | z=reiθ | | Formules d'Euler | cosθ=2eiθ+e−iθ, sinθ=2ieiθ−e−iθ | | Formule de Moivre | (cosθ+isinθ)n=cos(nθ)+isin(nθ) | | Produit | arg(zz′)=arg(z)+arg(z′) |
Exercices
Quel est le module de z=2eiπ/3 ?
Déterminer l'argument de z=−1 (à 2π près).
Donner la forme exponentielle de z=i.
Vrai ou faux : ∣eiθ∣=1 pour tout θ∈R.
Quel est le module et l'argument de z=3+i ?
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